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Plasmonik: Licht treibt Nanomotor an

Nanomotor aus Gold
Mit einem sternförmigen Goldplättchen von nur 100 Nanometer Durchmesser ist Forschern um Xiang Zhang von der University of California in Berkeley jetzt der Bau eines Motors gelungen, der sich mit einem feinen Laserstrahl antreiben lässt. Die auftreffenden Photonen versetzen dabei die oberflächennahen Goldatome in Schwingungen und erzeugen so ein Drehmoment.

3-D-Modell des Motors
3-D-Modell des Motors | Der sternförmige Motor besteht aus Gold, dessen Atome in Schwingungen versetzt werden, sobald sie senkrecht von oben mit Licht angestrahlt werden. Die richtige Frequenz sorgt dafür, dass das Plättchen sich dreht.
In welche Richtung und wie schnell sich das vierarmige Plättchen dreht, lässt sich den Forschern zufolge einfach mit Hilfe der Frequenz des Lichtstrahls kontrollieren. Der Motor habe genügend Kraft, um das quadratische Scheibchen mitzudrehen, in dessen Mitte er eingebettet wurde – und das, obwohl diese ein um den Faktor 4000 größeres Volumen hatte als das Plättchen selbst.

Anders als frühere Systeme stelle ihr Motor keine besonderen Anforderungen an den Lichtstrahl, der das Goldplättchen antreibt, schreiben die Wissenschaftler: Den eigentlichen Beitrag zum Funktionieren des Motors leiste die Form der Goldscheibe. Sie ist so konstruiert, dass die Photonen im Material Schwingungen – so genannte Plasmonen – auslösen, die sich bei bestimmten Resonanzfrequenzen einpendeln und damit den Einfluss des Lichts vervielfältigen.

Aufnahme mit dem Rasterelektronenmikroskop
Aufnahme mit dem Rasterelektronenmikroskop | Die Aufnahme zeigt den in ein Scheibchen aus Silikatglas integrierten Stern. Wie Simulationen ergaben, erzeugen die Plasmonen-Schwingungen in Zusammenarbeit mit den elektromagnetischen Eigenschaften des Golds gerichtete Kräfte. Nur 100 Nanometer misst der Motor im Durchmesser, die Scheibe hat hingegen 2,2 Mikrometer lange Seiten und damit ein um den Faktor 4000 höheres Volumen als das Sternchen selbst.
Bei Spitzengeschwindigkeiten machte ihr Motor rund eine Umdrehung pro Sekunde. Mit mehreren Goldplättchen, die regelmäßig in der größeren Scheibe angeordnet sind, lässt sich der Effekt verstärken: Vier Motoren etwa erlauben es, bei gleicher Drehzahl die Stärke des Lasers um die Hälfte auf ein Milliwatt zu verringern.

Auch Anwendungsmöglichkeiten haben die Wissenschaftler bereits ins Auge gefasst. Ein Lichtmotor könnte bei nanoelektromechanischen Anwendungen nützlich sein, aber auch bei Untersuchungsmethoden im Innern einer Zelle. Möglicherweise könnte man ihn dazu verwenden, DNA-Moleküle gezielt aufzuwickeln. Mit mehreren Goldplättchen, die jeweils unterschiedliche Frequenzen bevorzugen, könne man womöglich das Prinzip so erweitern, dass sich ihr Motor auch bei weißem Licht dreht. (jd)
27. KW 2010

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 27. KW 2010

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  • Quellen
Liu, M. et al.: Light-driven nanoscale plasmonic motors. In: Nature Nanotechnology 10.1038/nnano.2010.128, 2010.

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